KR102241144B1 - 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법 및 이에 의해 제조된 초분지 폴리글리시돌 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다기능성 코어 및 용매를 사용하지 않고, 초분지 폴리글리시돌을 쉽고 간단하게 제조할 수 있는 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법 및 이에 의해 제조된 초분지 폴리글리시돌에 관한 것으로, 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법은 글리시돌을 이중 금속 시안화물 촉매와 접촉시켜 개환 중합하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법 및 이에 의해 제조된 초분지 폴리글리시돌에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 다기능성 코어 및 용매를 사용하지 않고, 초분지 폴리글리시돌을 쉽고 간단하게 제조할 수 있는 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법 및 이에 의해 제조된 초분지 폴리글리시돌에 관한 것이다.
폴리글리시돌(또는 폴리글리세롤)은 생체 적합성과 다양성으로 인해 가장 유망하고 일반적으로 사용되는 거대 분자 중 하나이다.
특히, 초분지 폴리글리시돌(HPG)은 친수성 및 다수의 작용기로 인해 약물 전달 시스템의 후보 물질로서 학계 및 산업계 모두에서 주목을 끌고 있다. 이외에도, 초분지 폴리글리시돌(HPG)은 단백질과 펩타이드의 생체 접합, 혈청 알부민 대체물, 헤파린 유사체, 단백질 저항 표면 형성 등 여러 생체의학 분야에 걸쳐 활용될 수 있으며, 이렇게 유용한 초분지 폴리글리시돌을 철저하게 특성화하고 합성 경로를 최적화하기 위해 많은 노력을 기울여왔다.
초분지 폴리글리시돌은 산업 규모에서는 음이온 중합을 통한 제어된 글리세롤의 에테르화, 글리시돌의 멀티 브랜치 중합을 개환함으로써 대부분 합성된다.
상세하게는, 초분지 폴리글리시돌은 전형적으로 염기 촉매의 존재 하에 전형적인 다기능성 개시제 코어로서 1,1,1-트리스(하이드록시 메틸)프로판을 사용하여 느린 단량체 첨가 하에 글리시돌의 개환 중합에 의해 제조된다.
보고되어진 문헌들의 특정 결점은 전통적인 합성 기술이 다기능성 코어의 부분적으로 탈 양자화 및 느린 단량체 첨가 방법을 통한 중합을 포함하는 복잡한 중합 공정을 필요로 한다는 것을 포함한다.
또한, 재사용을 위한 균질 촉매의 제거 또는 회수는 전통적인 기본 촉매의 다른 문제이다. 분명히 초분지 폴리글리세롤 합성을 위한 간단하고 쉬운 한 단계의 공정이 매우 바람직할 것이며, 또한, 불균일 촉매 과정은 후속 재활용에서 쉽게 분리되고 재사용될 수 있기 때문에, 공학적, 환경적 및 경제적 이점의 관점에서 보다 유리하다.
따라서, 단일 단계에서 초분지 폴리글리시돌을 생산하기 위한 효율적인 불균일 촉매 기반 방법을 개발하고 특수 용도로 고수율로 제조하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 목적은 다기능성 코어 및 용매를 사용하지 않고, 초분지 폴리글리시돌을 쉽고 간단하게 제조할 수 있는 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 제조 방법에 의해 제조된 초분지 폴리글리시돌을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고효율을 갖는 초분지 폴리글리시돌 제조용 촉매 및 이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 위한 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법은 글리시돌을 이중 금속 시안화물 촉매와 접촉시켜 개환 중합하는 단계를 포함한다.
상기 개환 중합하는 단계에서, 글리시돌을 이중 금속 시안화물 촉매와 접촉시켜 얻은 혼합물을 가열하는 것이 바람직하며, 상기 가열은 90℃ 내지 120℃의 온도로 2 내지 12 시간 동안 수행될 수 있다.
또한, 상기 이중 금속 시안화물 촉매는 글리시돌의 0.02 내지 0.9 중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 이중 금속 시안화물 촉매는 이중 금속 시아나이드 화합물 상기 이중 금속 시안화물 촉매는 이중 금속 시아나이드 화합물 및 유기착물화제를 포함하고, 상기 유기착물화제는 알코올 화합물, 디에스테르 화합물, 케토 에스테르 화합물, 알콕시드 화합물, 케톤계 화합물, 디카복시산 화합물, 식물성 오일, 사카라이드계 화합물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 이중 금속 시아나이드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
<화학식 1>
M1[M2(CN)6]·nH2O
(여기서, M1은 ZnⅡ, FeⅡ, CoⅡ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이고, M2는 CoⅡ, CoⅢ, FeⅡ, FeⅢ, CrⅢ, IrⅢ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이며, n은 0 이상의 분수 또는 정수이다.)
한편, 일 실시예로 알코올 화합물은 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 1-부탄올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 펜타에리트리톨 중에서 선택된 어느 하나 이상이거나, 또는 에테르 작용기가 포함된 지방족 알코올인 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-프로폭시에탄올, 2-부톡시에탄올, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 에틸 에테르, 프로필렌 글리콜 프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 부틸 에테르 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 디에스테르 화합물은 디에틸 옥살레이트, 디에틸 말로네이트, 디에틸 숙시네이트, 디에틸 글루타레이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 케토 에스테르 화합물은 메틸 아세토 아세테이트, 에틸 아세토 아세테이트, tert-부틸 아세토 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 알콕시드 화합물은 2,2-디메톡시 프로판, 2,2-디에톡시 프로판, 1,1,1-트리메톡시 에탄, 트리메틸 오르소 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 케톤계 화합물은 아세톤, 아세틸 아세톤, 2,4-펜탄 디온, 2,5-헥산 디온 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 디카복시산 화합물은 옥살산, 숙신산, 글루타르 산 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 식물성 오일은 팜 오일 폴리올, 캐스터 오일 폴리올, 콩기름 폴리올 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 사카라이드계 화합물은 과당, 포도당, 자당, 소르비톨, 베타-시클로 덱스트린 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 개환 중합하는 단계 후, 글리시돌 및 이중 금속 시안화물 촉매의 혼합물을 메탄올에 용해시킨 후 여과하여 촉매를 분리하는 단계 및 여과 후의 여액을 아세톤에 첨가하여 초분지 폴리글리시돌 생성물을 침전 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 목적을 위한 초분지 폴리글리시돌은 상기 본 발명의 제조 방법에 따라 제조되며, 45 내지 52%의 분지화도(degree of branching)를 가질 수 있다.
이러한 초분지 폴리글리시돌의 수평균 분자량은 400 내지 4000 g mol-1이고, 다분산 지수(PDI, polydispersity index)는 1.08 내지 1.48일 수 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 실시 형태로 상기 초분지 폴리글리시돌을 포함하는 약물 운반체(drug carrier)를 들 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 목적을 위한 초분지 폴리글리시돌 제조용 촉매는 이중 금속 시아나이드 화합물 및 유기착물화제를 포함하고, 상기 유기착물화제는 알코올 화합물, 디에스테르 화합물, 케토 에스테르 화합물, 알콕시드 화합물, 케톤계 화합물, 디카복시산 화합물, 식물성 오일, 사카라이드계 화합물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함한다.
구체적으로, 상기 이중 금속 시아나이드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
<화학식 1>
M1[M2(CN)6]·nH2O
(여기서, M1은 ZnⅡ, FeⅡ, CoⅡ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이고, M2는 CoⅡ, CoⅢ, FeⅡ, FeⅢ, CrⅢ, IrⅢ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이며, n은 0 이상의 분수 또는 정수이다.)
한편, 일 실시예로 알코올 화합물은 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 1-부탄올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 펜타에리트리톨 중에서 선택된 어느 하나 이상이거나, 또는 에테르 작용기가 포함된 지방족 알코올인 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-프로폭시에탄올, 2-부톡시에탄올, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 에틸 에테르, 프로필렌 글리콜 프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 부틸 에테르 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 디에스테르 화합물은 디에틸 옥살레이트, 디에틸 말로네이트, 디에틸 숙시네이트, 디에틸 글루타레이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 케토 에스테르 화합물은 메틸 아세토 아세테이트, 에틸 아세토 아세테이트, tert-부틸 아세토 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 알콕시드 화합물은 2,2-디메톡시 프로판, 2,2-디에톡시 프로판, 1,1,1-트리메톡시 에탄, 트리메틸 오르소 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 케톤계 화합물은 아세톤, 아세틸 아세톤, 2,4-펜탄 디온, 2,5-헥산 디온 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 디카복시산 화합물은 옥살산, 숙신산, 글루타르 산 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 식물성 오일은 팜 오일 폴리올, 캐스터 오일 폴리올, 콩기름 폴리올 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 사카라이드계 화합물은 과당, 포도당, 자당, 소르비톨, 베타-시클로 덱스트린 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 초분지 폴리글리시돌 제조용 촉매는 부유기착물화제로서 트리블록코폴리머인 EO20PO70EO20(Pluronic P123)을 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 형태인 초분지 폴리글리시돌 제조용 촉매 제조 방법은 본 발명의 유기착물화제를 포함하는 수용성 금속염 수용액에 수용성 금속 시안화염 수용액을 균일하게 혼합하는 단계를 포함한다.
상세하게는, 상기 수용성 금속염은 하기 화학식 2에 표시되는 화합물이고, 상기 수용성 금속 시안화염은 하기 화학식 3에 표시되는 화합물일 수 있다.
<화학식 2>
M1X2
(화학식 2에서, M1은 ZnⅡ, FeⅡ, CoⅡ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이고, X는 할라이드이다.)
<화학식 3>
YaM2(CN)b
(화학식 3에서, Y는 알칼리 금속이온 또는 알칼리 토금속이온이며, M2는 CoⅡ, CoⅢ, FeⅡ, FeⅢ, CrⅢ, IrⅢ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이며, a, b는 각각 1 이상의 정수이다.)
이때, 상기 수용성 금속염 및 수용성 금속 시안화염은 6 : 1의 몰비율로 혼합시키는 것이 바람직하며, 본 발명은 상기 혼합하는 단계 후에, 상기 유기착물화제 및 부유기착물화제로서 트리블록코폴리머인 EO20PO70EO20(Pluronic P123)을 포함하는 혼합물을 첨가하여 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이중 금속 시안화물 촉매가 글리시돌을 초분지 폴리글리시돌로 직접 전환시키기에, 다기능성 코어 및 용매를 사용하지 않고 초분지 폴리글리시돌을 단일 단계로 간단하게 제조할 수 있어 상당한 경제적 이점을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 초분지 폴리글리시돌 수율이 70-95% 및 그 이상으로 달성될 수 있으며, 생성된 초분지 폴리글리시돌은 45-52%의 중간 정도의 분지화도를 가질 수 있고, 수평균 분자량은 반응 조건에 따라 1.08 - 1.48의 좁은 다분산 지수로 400-4000 g mol-1의 범위로 조정될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따르면, 생성된 폴리글리시돌로부터 이중 금속 시안화물 촉매를 단순히 여과 또는 원심분리에 의해 분리할 수 있어, 즉시 사용 가능한 초분지 폴리글리시돌을 간편하게 수득할 수 있는 장점이 있다.
도 1a 및 1b는 DMC-DEM 촉매를 이용한 중합 반응에서 얻어진 조 혼합물의 1H NMR 및 13C NMR 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 1c 및 1d는 본 발명의 DMC-DEM 촉매를 이용하여 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 MALDI-TOF MS 스펙트럼 및 GPC 곡선을 도시한 도면이다.
도 2 내지 6은 각각 ZnCl2, DMC-pure, DMC-DEM, DMC-EAA, DMC-TBA 촉매를 이용한 중합 반응에서 얻어진 조 혼합물의 1H NMR 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 DMC-EAA 촉매를 이용하여 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 MALDI-TOF MS 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 DMC-TBA 촉매를 이용하여 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 MALDI-TOF MS 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 DMC-DEM, DMC-EAA, DMC-TBA 촉매를 이용하여 얻어진 폴리글리시돌 생성물의 GPC 곡선을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 DMC-DEM 촉매를 이용한 중합 반응에서, 상이한 중합 간격으로 수집된 샘플의 1H NMR 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 11a는 다양한 중합 온도에서 중합 시간에 대한 글리시돌 단량체 소비 그래프를 도시한 도면이고, 도 11b는 중합 절대 온도의 역수(1/T)에 대한 ln kapp의 Arrhenius 플롯을 나타낸 도면이다.
도 12 내지 15는 각각 90℃, 100℃, 110℃, 120℃의 중합 온도에서 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 13C NMR 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 16은 다양한 중합 온도에서 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 GPC 곡선을 도시한 도면이다.
도 17은 상이한 DMC-DEM 촉매 농도에서 1차 시간-전환 플롯을 나타낸 도면이다.
도 18은 [Zn] 농도에 대한 겉보기 속도 상수 kapp의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 19는 상이한 DMC-DEM 촉매 농도에서 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 GPC 곡선을 도시한 도면이다.
도 20은 90℃의 온도에서 수행한 글리시돌 중합 반응의 1H NMR(왼쪽) 및 13C NMR 스펙트럼(오른쪽)을 시간 별로 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명의 DMC-촉매를 사용한 글리시돌의 개환 중합 반응 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1c 및 1d는 본 발명의 DMC-DEM 촉매를 이용하여 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 MALDI-TOF MS 스펙트럼 및 GPC 곡선을 도시한 도면이다.
도 2 내지 6은 각각 ZnCl2, DMC-pure, DMC-DEM, DMC-EAA, DMC-TBA 촉매를 이용한 중합 반응에서 얻어진 조 혼합물의 1H NMR 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 DMC-EAA 촉매를 이용하여 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 MALDI-TOF MS 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 DMC-TBA 촉매를 이용하여 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 MALDI-TOF MS 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 DMC-DEM, DMC-EAA, DMC-TBA 촉매를 이용하여 얻어진 폴리글리시돌 생성물의 GPC 곡선을 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 DMC-DEM 촉매를 이용한 중합 반응에서, 상이한 중합 간격으로 수집된 샘플의 1H NMR 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 11a는 다양한 중합 온도에서 중합 시간에 대한 글리시돌 단량체 소비 그래프를 도시한 도면이고, 도 11b는 중합 절대 온도의 역수(1/T)에 대한 ln kapp의 Arrhenius 플롯을 나타낸 도면이다.
도 12 내지 15는 각각 90℃, 100℃, 110℃, 120℃의 중합 온도에서 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 13C NMR 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 16은 다양한 중합 온도에서 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 GPC 곡선을 도시한 도면이다.
도 17은 상이한 DMC-DEM 촉매 농도에서 1차 시간-전환 플롯을 나타낸 도면이다.
도 18은 [Zn] 농도에 대한 겉보기 속도 상수 kapp의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 19는 상이한 DMC-DEM 촉매 농도에서 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물의 GPC 곡선을 도시한 도면이다.
도 20은 90℃의 온도에서 수행한 글리시돌 중합 반응의 1H NMR(왼쪽) 및 13C NMR 스펙트럼(오른쪽)을 시간 별로 도시한 도면이다.
도 21은 본 발명의 DMC-촉매를 사용한 글리시돌의 개환 중합 반응 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명의 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법은, 글리시돌을 이중 금속 시안화물 촉매와 접촉시켜 개환 중합하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 이중 금속 시안화물 촉매에 글리시돌을 순간적으로 첨가하여 글리시돌 및 이중 금속 시안화물 촉매를 접촉시킬 수 있으며, 접촉시켜 얻은 혼합물을 가열하여 개환 중합하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 가열은 90℃ 내지 120℃의 온도로 2 내지 12 시간 동안 수행하는 것이 바람직하다. 가열 온도가 90℃ 미만인 경우, 촉매 활성이 원활하게 일어나지 않고, 가열 온도가 120℃를 초과하는 경우에는 추가적인 중합 반응 효과가 없어 경제적으로 손실이 크다. 또한, 가열 시간이 2시간 미만일 경우 충분한 중합 반응이 일어나지 않을 수 있고, 12시간을 초과하는 경우에는 경제적인 손실이 크다.
따라서, 가열은 120℃에서 4 - 5시간 동안 수행하는 것이 가장 바람직하다.
또한, 상기 이중 금속 시안화물 촉매는 글리시돌의 0.02 내지 0.9 중량%로 포함되는 것이 바람직한데, 0.02 중량% 미만일 경우, 촉매의 양이 너무 적어 촉매 활성이 미미하고, 0.9 중량%를 초과할 경우 생성된 초분지 폴리글리시돌이 고리화 반응에 의해 자체 종결될 수 있다.
한편, 상기 이중 금속 시안화물 촉매는 유기 반응, 에폭시드의 개환 중합, 특히 프로필렌 산화물(PO), CO2 및 에폭시드의 공중합, 에폭시드에 대한 CO2의 사이클로 첨가, 아민 및 에폭시드의 개환, 에스테르화 및 에스테르 교환 반응, 수화 반응, Prins 응축 및 산화 반응 등에 사용되는 촉매이다.
이러한 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 글리시돌의 개환 중합에서, 히드록시기-기질은 개시제 또는 사슬 전달제로서 사용되며, 생성된 폴리글리시돌의 분자량 및 분자량 분포를 제어하는데 중요한 역할을 한다.
즉, 글리시돌 단량체는 이중 금속 시안화물 촉매에 접촉되어, 히드록시기(hydroxyl) 또는 옥시란 산소(oxirane oxygen)를 통해 금속 부위 상에 배위되게 되며, 글리시돌의 히드록시기는 개시제로 작용하여 여러 가지 방법으로 개환 중합을 개시하게 된다. 따라서, 개시제 역할을 하는 다기능성 코어 및 용매의 존재 없이 이중 금속 시안화물 촉매를 사용하여 글리시돌의 개환 중합 반응을 가능하게 할 수 있다.
그러나, 본 발명에서 생성되는 초분지 글리시돌의 다양한 기능기도를 조절하기 위하여, 다양한 기능기도를 포함하는 개시제를 사용할 수도 있다.
구체적으로, 이중 금속 시안화물 촉매는, 이중 금속 시아나이드 화합물 및 유기착물화제를 포함하고, 상기 유기착물화제는 알코올 화합물, 디에스테르 화합물, 케토 에스테르 화합물, 알콕시드 화합물, 케톤계 화합물, 디카복시산 화합물, 식물성 오일, 사카라이드계 화합물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함한다.
여기서, 상기 이중 금속 시아나이드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물일 수 있다.
<화학식 1>
M1[M2(CN)6]·nH2O
(여기서, M1은 ZnⅡ, FeⅡ, CoⅡ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이고, M2는 CoⅡ, CoⅢ, FeⅡ, FeⅢ, CrⅢ, IrⅢ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이며, n은 0 이상의 분수 또는 정수이다.)
화학식 1로 표시되는 이중 금속 시아나이드 화합물은 본질적으로 안정하기 때문에 에폭시드의 중합 반응에서 불활성을 나타내게 되며, 이로 인해 유기착물화제를 상기 화합물에 도입시키는 것이 바람직하다.
유기착물화제는 전술한 바와 같이, 이중 금속 시아나이드 화합물을 활성화시키기 위한 것으로, 알코올 화합물, 디에스테르 화합물, 케토 에스테르 화합물, 알콕시드 화합물, 케톤계 화합물, 디카복시산 화합물, 식물성 오일, 사카라이드계 화합물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 알코올 화합물은 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 1-부탄올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 펜타에리트리톨 중에서 선택된 어느 하나 이상이거나, 또는 에테르 작용기가 포함된 지방족 알코올인 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-프로폭시에탄올, 2-부톡시에탄올, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 에틸 에테르, 프로필렌 글리콜 프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 부틸 에테르 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
여기서, 에테르 작용기가 포함된 지방족 알코올의 유전상수는 2-메톡시에탄올 > 2-에톡시에탄올 > 프로필렌 글리콜 메틸 에테르 > 2-프로폭시에탄올 > 프로필렌 글리콜 에틸 에테르 > 프로필렌 글리콜 프로필 에테르 > 2-부톡시에탄올 > 프로필렌 글리콜 부틸 에테르이다.
일 실시예로, 상기 디에스테르 화합물은 디에틸 옥살레이트, 디에틸 말로네이트, 디에틸 숙시네이트, 디에틸 글루타레이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 케토 에스테르 화합물은 메틸 아세토 아세테이트, 에틸 아세토 아세테이트, tert-부틸 아세토 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 알콕시드 화합물은 2,2-디메톡시 프로판, 2,2-디에톡시 프로판, 1,1,1-트리메톡시 에탄, 트리메틸 오르소 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 케톤계 화합물은 아세톤, 아세틸 아세톤, 2,4-펜탄 디온, 2,5-헥산 디온 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 디카복시산 화합물은 옥살산, 숙신산, 글루타르 산 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 상기 식물성 오일은 팜 오일 폴리올, 캐스터 오일 폴리올, 콩기름 폴리올 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 사카라이드계 화합물은 과당, 포도당, 자당, 소르비톨, 베타-시클로 덱스트린 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 이중 금속 시안화물 촉매는 부유기착물화제로 트리블록코폴리머인 EO20PO70EO20(Pluronic P123)을 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 개환 중합하는 단계 후, 글리시돌 및 이중 금속 시안화물 촉매 혼합물을 메탄올에 용해시킨 후 여과하여 촉매를 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
여기서, 여과 대신에 원심 분리를 통해 혼합물로부터 촉매를 분리하는 것도 가능하며, 상기 단계를 통해 생성된 폴리글리시돌로부터 이중 금속 시안화물 촉매를 간편하게 분리할 수 있을 뿐만 아니라, 촉매를 재사용할 수 있게 된다.
또한, 분리하는 단계 후, 여과 후의 여액을 아세톤에 첨가하여 초분지 폴리글리시돌 생성물을 침전 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조 방법에 따르면, 다기능성 코어 및 용매를 사용하지 않고 초분지 폴리글리시돌을 단일 단계로 간단하게 제조할 수 있으며, 이로 인해 상당한 경제적 이점을 가질 수 있다.
또한, 본 발명의 제조 방법에 따르면, 초분지 폴리글리시돌의 수율이 70-95% 및 그 이상으로 달성될 수 있고, 생성된 폴리글리시돌로부터 이중 금속 시안화물 촉매를 단순히 여과 또는 원심분리에 의해 분리할 수 있어, 즉시 사용 가능한 초분지 폴리글리시돌을 간편하게 수득할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태로, 전술한 제조 방법으로 제조된 초분지 폴리글리시돌을 들 수 있다.
제조된 초분지 폴리글리시돌은 45 내지 52%의 분지화도(degree of branching)를 갖게 되며, 수평균 분자량은 400 내지 400 내지 4000 g mol-1이고, 다분산 지수(PDI, polydispersity index)는 1.08 내지 1.48의 값을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태로 상기 특성을 갖는 초분지 폴리글리시돌을 포함하는 약물 운반체를 들 수 있다.
한편, 본 발명은 또 다른 실시 형태인 초분지 폴리글리시돌 제조용 촉매를 제공할 수 있으며, 초분지 폴리글리시돌 제조용 촉매는 이중 금속 시아나이드 화합물 및 유기착물화제를 포함하고, 상기 유기착물화제는 알코올 화합물, 디에스테르 화합물, 케토 에스테르 화합물, 알콕시드 화합물, 케톤계 화합물, 디카복시산 화합물, 식물성 오일, 사카라이드계 화합물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함한다.
구체적으로, 상기 이중 금속 시아나이드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것이 바람직하다.
<화학식 1>
M1[M2(CN)6]·nH2O
(여기서, M1은 ZnⅡ, FeⅡ, CoⅡ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이고, M2는 CoⅡ, CoⅢ, FeⅡ, FeⅢ, CrⅢ, IrⅢ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이며, n은 0 이상의 분수 또는 정수이다.)
그리고, 유기착물화제는 전술한 바와 같이 이중 금속 시아나이드 화합물을 활성화시키기 위한 것으로, 알코올 화합물, 디에스테르 화합물, 케토 에스테르 화합물, 알콕시드 화합물, 케톤계 화합물, 디카복시산 화합물, 식물성 오일, 사카라이드계 화합물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로 사용 가능한 유기착물화제는 상기 초분지 폴리글리시돌 제조 방법에서 서술된 바와 동일하므로, 설명을 생략하도록 한다.
또한, 초분지 폴리글리시돌 제조용 촉매는 부유기착물화제로서 트리블록코폴리머인 EO20PO70EO20(Pluronic P123)을 더 포함하여, 이중 금속 시아나이드 화합물의 활성화를 유도할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 형태인 초분지 폴리글리시돌 제조용 촉매 제조 방법은, 본 발명의 유기착물화제를 포함하는 수용성 금속염 수용액에 수용성 금속 시안화염 수용액을 균일하게 혼합하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 상기 수용성 금속염은 하기 화학식 2에 표시되는 화합물이고, 상기 수용성 금속 시안화염은 하기 화학식 3에 표시되는 화합물일 수 있다.
<화학식 2>
M1X2
(화학식 2에서, M1은 ZnⅡ, FeⅡ, CoⅡ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이고, X는 할라이드이다.)
<화학식 3>
YaM2(CN)b
(화학식 3에서, Y는 알칼리 금속이온 또는 알칼리 토금속이온이며, M2는 CoⅡ, CoⅢ, FeⅡ, FeⅢ, CrⅢ, IrⅢ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이며, a, b는 각각 1 이상의 정수이다.)
여기서, 상기 수용성 금속염 및 수용성 금속 시안화염은 6 : 1의 몰비율로 혼합시키는 것이 바람직하며, 소량의 유기착물화제와 함께 균일하게 혼합하여 초분지 폴리글리시돌 제조용 촉매를 제조할 수 있다.
또한, 혼합하는 단계 후에, 유기착물화제 및 부유기착물화제로서 트리블록코폴리머인 EO20PO70EO20(Pluronic P123)을 포함하는 혼합물을 첨가하여 혼합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들 및 실험예들에 대해 상술한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 일부 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
DMC(Double Metal Catalyst) 촉매의 제조
실시예 1 내지 실시예 3
첫 번째 비이커에서 ZnCl2(1.23g, 9mmol)을 증류수(2.5mL)에 용해시키고, 디에틸 말로네이트(DEM, diethyl malonate)(2.5mL, 16.5mmol)을 첨가하였다(혼합용액 1). 두 번째 비이커에서 K3[Co(CN)6](0.5g, 1.5mmol)을 증류수(2.5mL)에 용해시켰다(혼합용액 2).
이후, 혼합용액 2를 50℃에서 30분 동안 격렬하게 교반시키면서 혼합용액 1에 첨가하였다. 다음으로, 디에틸 말로네이트(DEM, diethyl malonate)(1mL, 6.6mmol) 및 P123(폴리(에틸렌 글리콜)-블록-폴리(프로필렌 글리콜)-블록-폴리(에틸렌 글리콜))(0.1g, 0.017mmol)의 혼합물을 첨가하였다.
혼합된 용액을 10분 동안 교반하고, 생성된 현탁액을 원심분리(×6,000)에 의해 용액으로부터 분리하였다. 이후, 증류수/DEM 및 DEM/P123을 사용하는 다른 재 슬러리 및 원심분리 단계를 2회 더 반복하였다(총 DEM의 양은 69 mmol).
다음으로, 얻어진 촉매 슬러리를 10mL의 증류수로 2회 세척하여 미반응 ZnCl2를 제거하고, 원심 분리에 의해 분리된 습식 촉매 케이크를 85℃에서 진공 하에 6시간 동안 일정 중량으로 건조시켜 유기착물화제로 디에틸 말로네이트(DEM)를 포함하는 이중 금속 시안화물 촉매(이하, DMC-DEM 촉매, 실시예 1로 명명함)을 제조하였다.
유사하게, 이중 금속 시안화물 촉매인 DMC-EAA 촉매(실시예 2) 및 DMC-TBA 촉매(실시예 3)는 유기 착물화제로서 각각 에틸 아세토 아세테이트(EAA, ethyl acetoacetate) 및 tert-부탄올(TBA, tert-butanol)을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 제조하였다.
비교예 1 내지 비교예 3
비교예 1로 ZnCl2(Alfa Aesar)을 준비하였고, 비교예 2로 K3Co(CN)6(Sigma-Aldrich)을 준비하였다.
또한, 비교예 3인 DMC-pure 촉매는 유기착물화제 및 부유기착물화제가 없는 상태에서, 수성 ZnCl2와 수성 K3Co(CN)6을 50℃에서 동일한 [Zn]/[Co] 비율 (6 : 1)로 반응시킴으로써 제조되었다.
실험예 1 : 글리시돌 중합 반응
고무 격막으로 덮인 질소 조절용 스톱 코크가 장착된 격막 입구가 있는 10mL 둥근 플라스크를 복수 개 준비하였다. 이후, 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3의 촉매 15 × 10-3 mol L-1를 각각 오일 배스(Oil bath)에서 플라스크에 첨가하고, 질소로 여러 번 퍼지하였다.
다음으로, 글리시돌 15 mol L-1을 플라스크에 순간적으로 첨가하여 혼합물을 제조한 후, 각각 5시간(실시예 1 내지 3) 및 24시간(비교예 1 내지 3) 동안 110℃의 온도로 가열하여 중합 반응을 수행하였다.
반응 완료 후에, 혼합물을 메탄올에 용해시킨 후 여과하여 촉매를 분리하고, 여액을 아세톤에 침전시켜 폴리글리시돌 생성물을 분리하였다. 이후, 분리된 생성물을 진공 오븐에서 밤새 건조시켜 초분지 폴리글리시돌 생성물을 수득하였다.
실험예 2
상기 글리시돌 중합 반응 완료 후에 얻어진 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 3을 포함하는 조 혼합물을 Varian INOVA 400 NMR spectrometer을 사용하여 1H NMR 및 13C NMR 스펙트럼을 분석한 결과를 표 1 및 도 1 내지 6에 나타내었다.
| 촉매 | t b (h) |
x p c (%) |
초분지 폴리글리시돌 | DBd | |||
| M n,MALDI-TOF | M n,GPC | PDI | |||||
| 비교예1 | ZnCl2 | 24 | 2.06 | - | - | - | - |
| 비교예2 | K3Co(CN)6 e | 24 | - | - | - | - | - |
| 비교예3 | DMC-pure | 24 | 3.73 | - | - | - | - |
| 실시예1 | DMC-DEM | 5 | 94.97 | 1060 | 1350 | 1.11 | 0.47 |
| 실시예2 | DMC-EAA | 5 | 91.11 | 985 | 1300 | 1.10 | 0.47 |
| 실시예3 | DMC-TBA | 5 | 86.39 | 910 | 1250 | 1.11 | 0.46 |
b반응 시간. c 1H NMR로 측정된 단량체 전환율. dKim and Frechet et al의 방정식을 통해 계산된 분지화 정도. e[Co] = 15 × 10-3 mol L-1.
표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 3은 글리시돌 중합 반응에서 높은 촉매 활성을 나타낸 반면, 비교예 1 내지 3은 무시할만한 촉매 활성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
특히, 유기착물화제로 DEM(diethyl malonate)을 사용한 실시예 1의 경우, 단량체 전환율이 94.97%로 나타나, 글리시돌의 개환 다분지 중합 반응에 대해 가장 높은 성능을 나타냈다.
한편, 도 1a 및 1b에 나타난 바와 같이, 분지된 폴리글리세롤에 상응하는 특성 신호는 생성된 중합체의 MeOH-d4에서 1H 및 13C NMR 스펙트럼 모두에서 관찰되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 수득한 초분지 폴리글리시돌 생성물의 MALDI-TOF MS(도 1c 및 도 7-8) 및 GPC(Gel permeation chromatography)(도 1d 및 9)를 분석한 결과 , MALDI-TOF MS 스펙트럼에 나타난 초분지 폴리글리시돌 생성물의 수평균 분자량(Mn) 값은 900 - 1060 g mol -1로 나타났으며, 이는 GPC(1250 - 1350 g mol -1)에서 측정된 값보다 다소 낮은 값을 나타냈다.
그리고, 실시예 1 내지 3의 촉매들에 의해 얻어진 초분지 폴리글리시돌 생성물은 모두 다분산 지수(PDI, polydispersity index)가 1.10 - 1.12의 범위로 나타났으며, 분지화도(degree of branching)는 0.46 - 0.47의 범위로 측정되어, 무작위 중축합 반응의 값(0.5 - 0.60)보다 낮은 값을 나타내는 것을 알 수 있었다.
실험예 3 : 반응 온도에 따른 폴리글리시돌 중합 반응
폴리글리시돌 중합 반응에서 반응 온도에 따른 영향을 확인하기 위해서, 실시예 1의 촉매를 사용하고, 중합 온도를 각각 90℃, 100℃, 110℃, 120℃로 변화시킨 것을 제외하고는, 실험예 1과 방법으로 초분지 폴리글리시돌 생성물을 제조하였다. 그 결과, 글리시돌에서 폴리글리시돌로의 전환은 반응 조건에 따라 2시간에서 10시간 사이에 완료되었다.
도 10은 실험예 3의 일 실시예로, 중합 온도를 110℃로 하여 초분지 폴리글리시돌을 제조하면서, 5 내지 10분에서 1시간까지의 상이한 중합 간격으로 수집된 샘플의 1H NMR 스펙트럼 결과를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하면, 3.4 - 3.9ppm 범위의 폴리에테르 백본의 넓은 신호가 증가하는 동시에 단량체 신호가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
도 11a는 90℃, 100℃, 110℃, 120℃의 중합 온도에서 중합 시간에 대한 글리시돌 단량체 소비 그래프를 도시하였다.
도 11a를 참조하면, 그래프는 1차 반응 시간-전환 플롯을 나타내며 이는 폴리글리시돌 중합 반응이 유도기 없이 진행되고 단량체 농도에 대해 유사 1차 반응 동력학을 따르는 것을 나타내며, 반응이 비교적 간단한 메커니즘으로 진행되는 것을 시사한다.
또한, 도 11a 및 표 2에 나타난 바와 같이, 중합의 겉보기 속도 상수(kapp)는 중합 시간에 대한 ln([G0]/[G])의 플롯으로부터 유도되며, 반응 온도의 증가에 따라 값이 증가되는 것을 알 수 있었다.
그리고, 중합 절대 온도의 역수(1/T)에 대한 ln kapp의 Arrhenius 플롯에 따르면(도 11b), 전체 활성화 에너지는 81.22 kJ/mol 로 측정되었다.
| [Zn] ×103 (molL-1) |
T p b (℃) |
x p c (%) |
k app d ×103 (min-1) |
초분지 폴리글리시돌 | ||
| M n,GPC | PDI | |||||
| 1 | 15.0 | 90 | 84.40 | 3.20 | 1240 | 1.12 |
| 2 | 15.0 | 100 | 93.70 | 6.65 | 1250 | 1.11 |
| 3 | 15.0 | 110 | 94.97 | 10.06 | 1350 | 1.11 |
| 4 | 15.0 | 120 | 95.86 | 27.48 | 1370 | 1.08 |
b중합 온도. c 1H NMR로 측정된 단량체 전환율. d 도 3에 의해 측정된 겉보기 속도 상수.
실험예 4 : 반응 온도에 따른 폴리글리시돌 구조
반응 온도가 초분지 폴리글리시돌의 구조에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 실험예 3을 통해 제조된 초분지 폴리글리시돌의 구조를 13C NMR 스펙트럼을 통해 분한 후, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
| Regionb | Shift (ppm) | 90 ℃ | 100 ℃ | 110 ℃ | 120 ℃ |
| L13 | 81.0-82.0 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 |
| D | 79.5-80.5 | 1.30 | 1.40 | 2.06 | 2.08 |
| 2L14 | 73.5-74.5 | 11.81 | 16.24 | 19.74 | 20.57 |
| 2D, 2T | 72.0-73.5 | 15.18 | 18.07 | 20.28 | 20.00 |
| L13,L14 | 70.5-72.0 | 5.88 | 7.86 | 9.46 | 9.93 |
| T | 64.0-65.0 | 5.24 | 5.57 | 6.24 | 6.20 |
| L13 | 62.0-63.5 | 1.65 | 1.53 | 1.66 | 1.55 |
| DBc | 0.52 | 0.48 | 0.47 | 0.46 | |
| Yield (%) | 79 | 88 | 90 | 90 |
b 13C NMR로 측정된 말단(T), 덴드리머(D) 및 선형(L) 성분의 통합. c Kim and Frechet et al의 방정식을 통해 계산된 분지화도(DB).
표 3을 참조하면, 초분지 폴리글리시돌 생성물의 13C NMR 스펙트럼은 반응 온도의 증가에 따라 분지화도가 탈지되었음을 나타낸다(도 12-15). 또한 L14 단위 분율은 L13 단위 분율보다 유의하게 높았다. L14 및 L13의 상대 분율은 90℃에서 거의 5 : 1을 나타냈으며, 120℃에서 약 8 : 1로 증가하여, 이차 -OH 기의 형성이 고온에서 더 유리하다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 단 하나의 종류의 말단기(T는 일차 및 이차 -OH 기 모두를 갖는 T)의 존재는 DMC-촉매를 사용한 글리시돌 중합 반응이 공지된 양이온 중합과 다른 메커니즘을 겪게됨을 나타내며, T와 함께 또 다른 유형의 말단기(일차 -OH 기만 있는 T')의 형성을 유도하게 된다.
그리고, 도 12 내지 15에 나타난 바와 같이, 74.5 - 77.5 ppm의 영역에서 원하지 않은 부반응의 신호는 90℃ 및 100℃의 중합 반응에서 관찰할 수 있으며(도 12 및 13), 이는 고순도의 초분지 폴리글리시돌을 얻기 위한 중합 반응의 이상적인 온도가 120℃임을 시사한다(도 14 및 15).
한편, 생성된 폴리글리시돌을 GPC로 분석한 결과, 좁은 다분산도를 가지며, 분자량(MW)이 반응 온도의 증가에 따라 약간 증가하는 것으로 나타났다(도 16 참조).
실험예 5 : DMC-촉매 농도에 따른 폴리글리시돌 중합 반응
폴리글리시돌 중합 반응에서 DMC-촉매 농도에 따른 영향을 확인하기 위해서, 실시예 1의 촉매 농도([Zn])를 각각 0.00075, 0.001, 0.0015, 0.003, 0.006, 0.015 및 0.030 mol L-1로 변화시키고, 반응 온도를 120℃로 수행한 것을 제외하고는, 실험예 1과 같은 방법으로 초분지 폴리글리시돌 생성물을 제조하였다. 겉보기 속도 상수(kapp)는 도 17의 플롯으로부터 유도되었으며, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
| run | [Zn] ×103 (molL-1) |
x p b (%) |
k app c ×103 (min-1) |
HPG | |
| M n,GPC | PDI | ||||
| 1 | 30.0 | 95.51 | 16.24 | 1190 | 1.10 |
| 2 | 15.0 | 94.97 | 10.06 | 1350 | 1.11 |
| 3 | 6.0 | 92.62 | 6.46 | 1250 | 1.13 |
| 4 | 3.0 | 95.73 | 5.48 | 1470 | 1.12 |
| 5 | 1.5 | 95.67 | - | 1600 | 1.11 |
| 6 | 1.0 | 92.38 | - | 2400 | 1.21 |
| 7 | 0.75 | 94.94 | - | 2800 | 1.29 |
b 13H NMR로 측정된 단량체 전환율. c 도 4의 시간-전환 플롯으로부터 유도된 속도 상수.
또한, 도 18은 [Zn] 농도에 대한 겉보기 속도 상수 kapp의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 18을 참조하면, lnkapp vs ln[Zn] 및 kapp vs [Zn]의 플롯은 폴리글리시돌 중합 반응이 촉매 농도와 관련하여 1차임을 나타낸다.
따라서, DMC 촉매를 이용한 글리시돌의 개환 중합 반응에 대한 전체 속도 방정식은 하기 식 1로 나타낼 수 있다.
[식 1]
여기서, kp는 전파 속도 상수이고 Kapp = k p [Zn]이다. 식 1은 또한 식 2로 설명될 수 있다.
[식 2]
상기 속도 방정식은 Zn 위치에서 배위 삽입을 포함하는 메커니즘과 일치한다.
또한, 도 18b에 도시된 선형 피츠에 대한 x 절편은 거의 0과 같아서, 중합이 DMC 촉매의 존재 없이 일어나지 않을 것이라는 것을 증명해준다.
한편, 표 4를 참조하면, 상이한 촉매 농도를 사용한 글리시돌 중합체의 경우, 1190 내지 2800 g mol -1 범위의 수평균 분자량(Mn) 값이 수득되었다. 촉매 농도의 탈지와 함께 생성된 초분지 폴리글리시돌의 분자량 증가는 중합체의 GPC 흔적(GPC traces)로부터 관찰될 수 있다(도 19).
폴리글리시돌의 다분산도는 촉매 농도의 감소에 따라 증가하였다. 명백히, 극히 낮은 촉매 농도(즉, [Zn] = 7.5 x 10-4)에서, 폴리글리시돌의 GPC 흔적은 고분자량 측면에서 좁은 피크의 성장을 나타냈다. 이것은 초분지 폴리글리시돌 분자 사이의 통합이 일어날 수 있고, 초분지 폴리글리시돌이 고리화 반응에 의해 자체 종결되지 않음을 나타낸다.
이러한 통합의 존재는 통합된 초분지 폴리글리시돌 분자를 형성하기 위해 개환되는 에폭시-말단 초분지글리시돌의 존재에 기인한다. 그러나, 이러한 공정은, GPC 결과와 같이, 매우 낮은 촉매 농도에서만 일어난다.
실험예 6
실험예 3에서 90℃의 온도에서 중합 반응을 수행한 글리시돌 중합 반응을 NMR 분광법으로 집중 분석하여, 그 결과를 도 20에 나타내었다.
도 20에 도시된 바와 같이, 중합 반응 동안 기록된 13C NMR 스펙트럼은 중합 반응 초기 단계에서 에폭시 고리 말단기(43.2 및 50.5 ppm)와 관련된 신호의 출현은 배위된 단량체 상의 글리시돌의 히드록시기의 친핵성 공격이 일어나 중합을 개시함을 입증한다.
62.9, 70.8 및 71.8의 신호는 에폭시 고리 말단기로 말단 캡핑된 말단(T) 히드록시기 단위의 형성을 나타낸다. 또한 선형 1,3(L13) 단위에 비해 선형 1,4(L14) 단위(72.4ppm)의 우위는 T 단위의 1차 알코올을 통한 전파가 2차 알코올보다 유리하다는 것을 나타낸다.
즉, 에폭시드의 DMC 촉매화된 개환 중합(예: PO, 1,2-epoxyhexane, glycidyl isopropyl ether, 및 1,2-epoxytetradecan)의 증식 중심은 코발트 및 양이온 경로를 통해 진행될 수 있는 Zn2+ 중심 및 에폭시드 단량체 사이의 양이온성 배위가 될 수 있다. 그러나 중합 반응 속도는 글리시돌의 개환 중합 반응이 간단한 배위 메커니즘으로 진행됨을 보여준다. 글리시돌의 히드록시기는 양이온 경로를 통해 사슬 전파를 억제할 것으로 예상되며, 모든 사슬 말단이 동시에 전파되어 좁은 PDI 값을 갖는 폴리글리시돌이 생성된다.
구체적인 DMC-촉매를 사용한 글리시돌의 개환 중합 반응 메커니즘은 도 21에 도시된다.
도 21을 참조하면, 글리시돌 단량체는 먼저 Zn 부위 상으로 배위하고, 이어서 배위된 단량체 상으로 유입되는 글리시돌의 히드록시기의 친핵성 공격을 받는다. 이것은 에폭시 고리 말단기로 말단 캡핑된 말단(T) 히드록시기 종의 형성을 초래하며, 이것은 단량체 유닛의 삽입과 함께 새로운 증식 종으로서 작용하고 단량체가 완전히 소비될 때까지 진행된다.
번식 종의 일차 또는 이차 알코올을 통한 전파는 선형 1,4 또는 선형 1,3 단위를 각각 생성하는 반면, 두 수산기를 통한 전파는 분지형 구조를 초래한다.
L14의 우세는 2차 -OH 기보다 1차 -OH기의 탈 양성자화 능력이 더 높기 때문이다.
온도 또한 폴리글리시돌의 분지화 정도에 중요한 역할을 한다. 감소된 온도는 초분지된 폴리글리시돌의 제조에 유리하지만, 온도가 높아지면 활성이 높아져 고순도의 폴리글리시돌이 얻어진다.
또한, 보다 높은 분자량을 갖는 폴리글리시돌은 촉매 농도를 감소시킴으로써 얻어진다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (33)
- 개시제의 부재 하에, 글리시돌 단량체만을 이중 금속 시안화물 촉매와 접촉시켜 개환 중합하는 단계;를 포함하고,
상기 이중 금속 시안화물 촉매는 이중 금속 시아나이드 화합물; 및 유기착물화제를 포함하고,
상기 유기착물화제는 알코올 화합물, 디에스테르 화합물 및 케토 에스테르 화합물 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 개환 중합하는 단계에서, 글리시돌을 이중 금속 시안화물 촉매와 접촉시켜 얻은 혼합물을 가열하는 것을 특징으로 하는, 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법.
- 제2항에 있어서,
상기 가열은 90℃ 내지 120℃의 온도로 2 내지 12 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 이중 금속 시안화물 촉매는 글리시돌의 0.02 내지 0.9 중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는, 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 이중 금속 시아나이드 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물인 것을 특징으로 하는, 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법.
<화학식 1>
M1[M2(CN)6]·nH2O
(여기서, M1은 ZnⅡ, FeⅡ, CoⅡ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이고, M2는 CoⅡ, CoⅢ, FeⅡ, FeⅢ, CrⅢ, IrⅢ 및 NiⅡ 중에서 선택된 어느 하나이며, n은 0 이상의 분수 또는 정수이다.)
- 제1항에 있어서,
상기 알코올 화합물은 메탄올, 에탄올, 2-프로판올, 1-부탄올, 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 글리세롤, 펜타에리트리톨 중에서 선택된 어느 하나 이상이거나, 또는
에테르 작용기가 포함된 지방족 알코올인 2-메톡시에탄올, 2-에톡시에탄올, 2-프로폭시에탄올, 2-부톡시에탄올, 프로필렌 글리콜 메틸 에테르, 프로필렌 글리콜 에틸 에테르, 프로필렌 글리콜 프로필 에테르, 프로필렌 글리콜 부틸 에테르 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 디에스테르 화합물은 디에틸 옥살레이트, 디에틸 말로네이트, 디에틸 숙시네이트, 디에틸 글루타레이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 케토 에스테르 화합물은 메틸 아세토 아세테이트, 에틸 아세토 아세테이트, tert-부틸 아세토 아세테이트 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법.
- 삭제
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- 제1항에 있어서,
상기 개환 중합하는 단계 후, 글리시돌 및 이중 금속 시안화물 촉매의 혼합물을 메탄올에 용해시킨 후 여과하여 촉매를 분리하는 단계; 및
여과 후의 여액을 아세톤에 첨가하여 초분지 폴리글리시돌 생성물을 침전 분리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 이중 금속 시안화물 촉매를 이용한 초분지 폴리글리시돌 제조 방법.
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